桩板式道路施工监控方案探讨

袁 瑞，郭庆超

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

目前桩板式道路已成功开发并应用于省内德州至上饶高速公路合肥至枞阳段等新建高等级公路工程中。实践表明，桩板式道路在减少占压永久基本农田、合理控制平原区高速公路填挖平衡、降低造价、控制工期及保护生态环境等方面优势明显。[1-3]

桩板式道路作为新型道路结构体系，施工工艺具有典型工业化建造特性，要求精细化施工组织、精准化施工控制，但目前施工及过程监控经验较少。实际施工过程中，区域地质情况、施工方案及施工环境等对结构内力和变形存在随机影响，特别是PRC管桩偏位及沉降、板梁安装误差、混凝土结构收缩徐变、施工临时荷载、温度气候等因素，将不同程度影响施工过程精度及质量控制。因此，针对桩板式道路这种新结构体系，探索一套安全适用的施工监控方案十分必要。[4-7]

1 桩板式道路设计方案

德州至上饶高速公路合肥至枞阳段为交通部工业化建造示范项目，桩板式道路为德州至上饶高速公路合肥至枞阳段新建工程中的重要组成部分。

桩板式路基由上部板式结构与下部桩基结构组成，上下部结构采用预埋钢筋灌浆固结方式连接。桩板式路基标准横断面如图1所示。

图1 标准横断面(单位：cm)

上部板式结构标准跨径为6 m，按多孔连续方式布置，最多孔数控制为15，最大联长为90 m。预制面板按纵向划分，分为A、B、C三类, 板厚26～50 cm，以适应边跨及中跨现场装配。预制面板之间采用现浇湿接缝进行连接，湿接缝宽度0.3 m。

桩板式路基下部结构采用PRC(500型)管桩基础[8-9]，与传统钻孔灌注桩相比，具有采用工业化定制、现场静压法施工速度快、经济效益显著等特点。

2 桩板式道路施工方案

桩板式道路施工工艺具有典型工业化建造特性，要求精细化施工组织、精准化施工控制，施工过程中主要工序及相应措施如下：

(1) 首先整理好场地，施工下部结构PRC(500型)管桩，结合施工监控采用全站仪对PRC(500型)管桩空间位置进行精确定位，然后按设计图纸实施桩基顶部连接钢筋，依次浇筑桩基顶部连接部C50补偿收缩混凝土、定位并安放高弹性聚合物垫片。

(2) 对于中跨，按设计图纸分别先吊装A板后吊装B板，吊装过程需要结合施工监控合理调整A板空间位置，使PRC(500型)管桩准确对接板预留孔，校核定位完成后，灌注混凝土形成固结体系。然后吊装B板，以A板为参照结合施工监控合理调整B板空间位置，校核定位完成后，现浇湿接缝形成固结体系。

(3) 结合施工监控校核空间位置后，现浇板间湿接缝混凝土。

(4) 待湿接缝现浇混凝土达到设计强度，同时施工监控复核各板空间位置无误后，参考第2、3步安装实施边跨预制A板、B板及C板安装。

(5) 整联上下部结构安装完成后，依次现浇桥面铺装及其他附属设施[6]。

3 施工监控方案

3.1 施工监控目的

桩板式路基施工监控的目的，主要是结合体系结构特性，根据各构件施工安装工序，以及现场地质条件等，对施工安装全过程进行监测和监控，并根据设计文件、监控过程数据和参数等，对各构件进行实时仿真分析和结构验算；根据验算结果分析，采用应力和变位预警体系对施工状态进行安全评估、过程纠偏及风险控制，保证体系在施工安装过程中受力和变形始终处于安全范围内，确保形成体系后的结构内力及线形符合设计要求。[10]

3.2 线形监控

桩板式道路作为多跨连续结构，体系线形控制对体系内力影响较大。因此，变形控制在各构件施工安装过程中十分重要。变形监测主要包括对PRC管桩偏位及沉降、PRC管桩及板梁线形等进行监测。

3.2.1 PRC管桩偏位及沉降监控

根据总体施工安装工序，首先进行PRC管桩施工，现场根据地质条件采用静压法、锤击法及植入法。然后依次安装PRC管桩顶部连接钢筋、现浇孔内C50混凝土等，整个阶段需进行PRC管桩偏位及沉降监控，以保证PRC管桩精确定位。由于PRC管桩为预制桩，可在距顶面20 cm处进行标记，全过程采用全站仪进行关键工序监测。PRC管桩桩顶标记布设如图2所示。

图2 PRC管桩桩顶标记布置(单位：mm)

3.2.2 板梁线形监控

PRC管桩及其附属构件施工完成后，进行板梁安装，依次吊装板梁、调整板梁位置，结合施工监控校核空间位置后现浇板间的湿接缝混凝土。整联上下部结构安装完成后，依次现浇桥面铺装及其他附属设施。整个阶段需进行板梁各控制阶段关键部位及截面空间位置监测，以保证成体系线形控制的准确性及各构件安装精度。

主要测点布置于板梁顶面。其中标准板顶面横向布置两处，采用标记钢筋进行预埋安装，钢筋头通常距顶板面约5 cm处。桥面板测点钢筋及安装大样如图3及图4所示。

图3 桥面板测点钢筋安装示意图(单位：mm)

图4 钢筋头安装大样(单位：mm)

3.2.3 线形监控精度

预制管桩施工控制精度为：平面中心误差≤1.5 cm，竖向沉降≤2 cm。

体系梁板及台帽安装过程中施工控制精度为：平面中心误差≤1.5 cm

结构变形测量精度：±2 mm。

3.3 应力监控

结构关键截面应力监测是桩板式道路施工监测的重要内容之一，桩板式路基体系本身为多次超静定结构。PRC管桩桩顶部位及体系梁板等构件，在不同施工阶段应力发生变化，因此通过应力监测可以对各构件关键截面进行应力监测及风险控制。

根据桩板式道路结构受力特点，桩板式道路上部结构选取每联第一、二跨板梁中间为应力监测关键截面。板梁应力测点布置如图5所示。

图5 板梁应力监测布置示意图(单位：mm)

PRC管桩在每联梁端墩柱，中间墩柱间隔布置PRC管桩应力测点。主要监测施工过程中，温度、管桩沉降等作用影响产生的管桩内力变化。PRC管桩应力测点布置如图6所示。

图6 PRC管桩应力测点布置图(单位：mm)

3.4 温度监测

由于桩板式道路整联为多跨超静定结构，对于温度影响相对敏感，施工过程中温度是线形及结构体系内力控制的关键因素，在施工监控过程中应重点考虑。本项目采用的温度传感器耦合在应力监测在应变计中，可以作为采集温度数据的测量元件，断面测点布置可以与应力监测相同，供全程采集、分析温度场对施工精度、结构线形和结构内力的影响，分析应力随温度的变化规律，提出应对措施。

4 施工全过程的结构计算分析

4.1 施工监控结构计算分析内容

桩板式道路施工监控的结构技术分析主要包括：与设计计算成果进行校核及对比；结合结构计算分析，优选施工方案并建议各施工阶段理想状态线形及内力数据；通过各阶段实测值与理论值对比分析，对成体系状态进行预测与反馈控制分析。

施工阶段计算是按照施工顺序和工艺、施工临时载荷，对每一阶段施工过程进行计算。桩板式道路结构监控计算主要采用MIDAS及桥梁博士等软件对各施工阶段的进行分析。其目的是使计算结果准确可信。

施工监控计算考虑的因素主要有以下几点。

4.1.1 结构构件截面尺寸

桩板式道路施工过程结构截面尺寸差异，主要包括预制结构定制误差、结构安装误差等。因此，整个施工阶段需进行各控制阶段关键部位及截面空间位置监测，以保证成体系线形控制的准确性及各构件安装精度。

4.1.2 结构材料弹性模量

桩板式道路施工过程中应特别注意混凝土弹性模量的波动。桩板式道路体系各结构的弹性模量直接影响到结构变形，实际上结构材料的弹性模量与设计的材料弹性模量有一定的差别，因此，在施工过程中，将结合仿真计算，随机抽取结构材料进行试验对比，测试其弹性模量，便于对理论模型进行修改，使计算结果与实际结构相符合。

4.1.3 材料容重

桩板式道路采用多种强度及工艺的钢筋混凝土材料构件，各构件的容重差异化明显，不同构件实际容重与设计值间也存在偏差。因此，桩板式道路各构件建议结合现场试验进行容重修正。

4.1.4 施工方案与施工荷载

由于施工方案往往与理想设计方案差异明显，施工监控计算应严格模拟施工方案，同时需深入施工现场，与施工单位共同协作，精确标定各阶段施工荷载。

施工荷载主要包括：施工机具、施工临时荷载、工作平台等。

4.1.5 混凝土收缩徐变

施工期间应考虑混凝土收缩徐变的影响，成体系阶段应该考虑成体系后运营期混凝土收缩徐变。

4.1.6 温度变化

由于桩板式道路整联为多跨超静定结构，对于温度影响相对敏感，施工过程中温度是线形及结构体系内力控制的关键因素。施工监控计算过程各工况温度模拟应与实际实施温度状态相符，特别要考虑季节性及昼夜温度差异。

4.1.7 恒载

(1) 各构件自重。

(2) 二期恒载(桥面铺装，护栏等)。二恒载主要考虑板面铺装、护栏等附属构件的重力荷载，其中防撞护栏(混凝土墙式护栏)取10 kN/m(单侧)，沥青混凝土铺装层厚10 cm，重力密度取24 kN/m3。

4.1.8 活载

荷载由车辆荷载和车道荷载组成，桩板结构的整体计算分别采用车道荷载和车辆荷载进行计算。

为了准确计算汽车偏载效应，计算模型中汽车荷载分别按照最少1个车道，最多3个车道布载，横向车道布载系数分别为1.2(1车道)、1.0(2车道)、0.78(3车道)。计算结果包络了车道荷载的对称布置与偏载两种工况。

车辆荷载按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)第4.3.1条规定执行。应分别考虑车辆荷载的对称布置与偏载两种工况。考虑三列55 t车辆荷载作用。

施工过程中的预拱度的设置应该考虑到成体系后活载的影响，其取值应该与设计相同，同时也应该考虑桩板式道路的实际车流量。

以上八点，如果实际参数与设计参数不一致，应及时对理论模型进行修正。施工过程中应特别注意预加应力、混凝土容量、混凝土弹性模量及截面尺寸等参数。

4.2 计算模型

计算模型安装设计图纸采用MIDAS进行数值计算分析。其中上部结构桥面板采用板单元模拟；PRC管桩采用梁单元模拟。仿真计算模型总图及数值分析桩板连接如图7及图8所示。

图7 仿真计算模型总图

图8 数值分析中的桩板连接

为了较准确模拟现场地质情况对PRC管桩桩基地下部分的作用，通过现场复核地质情况后，采用“土弹簧”模拟桩基与现场土体的连接，采用纵横向支撑连接模拟实际约束刚度。[11]

5 结束语

本文针对桩板式道路典型工业化建造特点，结合工程实例，在总结设计及施工关键技术的基础上，探索性地提出了针对性的施工监控方案，以建立应力和变形预警体系对施工状态进行安全评估、过程纠偏及风险控制，为今后类似桩板式道路体系全过程精细化施工提供了监控思路。